摘 要：常規(guī)能源以煤、石油、天然氣為主，不僅資源有限，而且會造成嚴重的大氣污染，開發(fā)清潔的可再生能源已經(jīng)成為當今發(fā)展的重要任務，“節(jié)能優(yōu)先，效率為本”的分布式發(fā)電能源符合社會發(fā)展要求。

隨著“雙碳”目標的推進，如今清潔能源所占比重大幅度增加，分布式光伏發(fā)電在我國快速發(fā)展，但其隨機性、間歇性的特點給新能源消納和電網(wǎng)穩(wěn)定帶來很大的挑戰(zhàn)，通過預測光伏發(fā)電可以在一定程度上改善新能源消納問題，減少光伏發(fā)電的不穩(wěn)定性對電網(wǎng)的沖擊。本文介紹了安科瑞Acrel-1000DP分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)以及光功率預測系統(tǒng)在上海汽車變速器有限公司8.3MWp分布式光伏發(fā)電項目中的應用。

關(guān)鍵詞：清潔能源；分布式光伏；光功率預測

1. 項目概述

上海汽車變速器有限公司屋頂光伏發(fā)電項目（以下簡稱“本項目”），位于上海市嘉定區(qū)，裝機容量為8.3MW，采用自發(fā)自用余電上網(wǎng)模式。本項目現(xiàn)役35kV用戶站1座，站內(nèi)2臺35kV主變，容量均為20MVA。本次光伏設(shè)計2個并網(wǎng)點，新建一座10kV開關(guān)站，光伏組件逆變?yōu)?/span>0.8kV交流電壓，經(jīng)升壓后2個并網(wǎng)點以10kV電壓等級分別接入35kV用戶站的10kVⅠ段母線、Ⅱ段母線，并網(wǎng)點容量分別為3.6MW、2.976MW。

本項目采集光伏站內(nèi)的電流、電壓、有功、無功、功率因數(shù)、有功電度、無功電度及斷路器狀態(tài)等信息，通過數(shù)據(jù)通信終端采用無線公網(wǎng)作為傳輸通道接入地調(diào)系統(tǒng)。

2. 分布式光伏設(shè)計

本項目電量消納方式采用“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”，光伏單晶硅組件采用平鋪設(shè)計，共使用14382塊組件組成527個組串，每個組串包含15~28塊數(shù)量不等的組件。

項目新建5臺箱變，共有2.5MVA變壓器2臺，1.6MVA變壓器2臺，0.8MVA變壓器1臺，箱變分別接4、5、7、2、6臺逆變器，每臺光伏逆變器接9~27路數(shù)量不等的組串。其中#2、#3箱變匯總接入10kV開關(guān)站內(nèi)#1匯集進線柜，通過#1光伏并網(wǎng)柜接入35kV變電站10kVⅠ段母線#1光伏接入柜，#1并網(wǎng)點容量為3.6MW；#1、#4、#5箱變分別接入10kV開關(guān)站內(nèi)#2、#3、#4匯集進線柜，通過#2光伏并網(wǎng)柜接入35kV變電站10kVⅡ段母線#2光伏接入柜，#2并網(wǎng)點容量為2.976MW。

圖2.1 光伏接入系統(tǒng)示意圖

圖2.2 光伏組件布置圖

3. 技術(shù)方案

本項目部署了一套Acrel-1000DP分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)，搭配一套光功率預測系統(tǒng)，用于預測光伏發(fā)電量、響應調(diào)度調(diào)控。

光伏電站中5臺箱變之間通過光纖環(huán)網(wǎng)，保證數(shù)據(jù)長距離的穩(wěn)定傳輸，通過通信管理機及網(wǎng)絡交換機實時采集微機保護裝置、電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置、計量、遠動系統(tǒng)等二次設(shè)備數(shù)據(jù)，實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)全面監(jiān)控與自動化管理；同時，配置對時裝置、遠動裝置滿足系統(tǒng)與上級調(diào)度的需求，配置一套一體化電源系統(tǒng)，為二次設(shè)備及監(jiān)控主機等重要設(shè)備運行提供穩(wěn)定可靠的電源，實現(xiàn)整個光伏系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行。

3.1. 安全自動裝置

1）故障解列裝置

裝置能夠監(jiān)測電網(wǎng)的實時狀態(tài)，一旦檢測到異常或故障信號，如短路、過載等，它會立即啟動，迅速切斷故障區(qū)域與非故障區(qū)域之間的電氣連接。既能防止故障設(shè)備對電網(wǎng)造成進一步損害，也確保其他單元的正常運行，保障用戶的電力需求。

2）防孤島裝置

在電網(wǎng)失電的情況下，分布式電源未能夠及時與電網(wǎng)斷開連接，會形成孤島狀態(tài)，這種狀態(tài)可能造成分布式電源不可控、電網(wǎng)恢復時電壓和頻率不匹配等問題，也可能導致電力工作人員在不知情的情況下進行危險操作。防孤島裝置通過實時監(jiān)測電網(wǎng)狀態(tài)，一旦檢測到電網(wǎng)斷電，能夠在規(guī)定的時間內(nèi)迅速切斷分布式電源與電網(wǎng)的連接，從而保障電網(wǎng)的安全運行和維修人員的人身安全。

3）電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置

電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置是一種用于實時監(jiān)測和分析電力系統(tǒng)中電能質(zhì)量的高科技設(shè)備。其主要功能包括對電壓、電流、頻率、諧波、閃變、波動等關(guān)鍵電能質(zhì)量參數(shù)進行精確測量和記錄，裝置能夠及時識別出電能質(zhì)量問題，如電壓波動、諧波污染及瞬態(tài)電壓等，從而為電力用戶提供有效的改進建議。

3.2. 調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)設(shè)備

1）縱向加密裝置

縱向加密裝置通過采用先進的加密技術(shù)，來確保信息在傳輸過程中的機密性和完整性。裝置通過將數(shù)據(jù)進行加密處理，使得即使信息在傳輸過程中被截獲，未經(jīng)授權(quán)的第三方也無法解讀其中的內(nèi)容。

2）正反向隔離裝置

正反向隔離裝置通過物理或邏輯手段將不同安全等級的網(wǎng)絡區(qū)域隔離開來，有效防止了網(wǎng)絡間的直接通信，從而避免了潛在的信息泄露和攻擊。同時，裝置支持在兩個隔離的網(wǎng)絡區(qū)域之間進行單向的、安全的數(shù)據(jù)交換，在數(shù)據(jù)傳遞過程中會對數(shù)據(jù)進行簽名驗證、內(nèi)容過濾、有效性檢查等處理，以抵御病毒等惡意攻擊，確保數(shù)據(jù)的合法性和安全性。

3.3. 光功率預測系統(tǒng)

光伏電站本地布置微型氣象站，采集光伏站的總輻照度、風速、風向、溫度、相對濕度、大氣壓力等信息，光功率預測系統(tǒng)通過采集到的實時氣象條件以及天氣預報、太陽能資源的動態(tài)變化，對太陽能光伏發(fā)電站的輸出功率進行短期和超短期的預測，從而幫助電力調(diào)度部門合理安排發(fā)電計劃，優(yōu)化電網(wǎng)運行，減少因太陽能發(fā)電波動性帶來的電網(wǎng)不穩(wěn)定風險，提高光伏發(fā)電的并網(wǎng)效率和經(jīng)濟效益。

4. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本項目集成了一套先進的分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)Acrel-1000DP與光功率預測系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用分層分布式，分成站控層、通信層和設(shè)備層。

站控層負責對整個系統(tǒng)進行集中管理和控制。操作員可以實時監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)，進行數(shù)據(jù)分析與處理，從而實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的智能調(diào)度與優(yōu)化。

通信層負責信息傳遞與數(shù)據(jù)交互，確保各個設(shè)備和系統(tǒng)組件之間能夠無縫連接和協(xié)同工作，此外，通信層還可以支持多種網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，適應不同規(guī)模和需求的應用場景，保證系統(tǒng)的靈活性和可擴展性。

設(shè)備層涵蓋了各種傳感器、執(zhí)行器和控制器等硬件設(shè)備。這些設(shè)備負責采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)并執(zhí)行控制指令，是實現(xiàn)自動化操作的核心。

圖4.1系統(tǒng)拓撲圖

項目配置設(shè)備清單如下表所示：

表4.1 方案設(shè)備列表

5. 現(xiàn)場圖片

圖 5.1 二次屏柜（預制艙內(nèi)） 圖 5.2 一體化電源（預制艙內(nèi)）

圖 5.3 一、二次預制艙

6. 保護實驗

微機保護裝置作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，其正式投入使用前的實驗環(huán)節(jié)至關(guān)重要。本項目對防孤島保護裝置的失壓跳閘功能要求較高，以此功能為例，介紹微機保護裝置的現(xiàn)場實驗步驟：

1）系統(tǒng)配置：在微機保護裝置上配置失壓保護功能，包括設(shè)置跳閘電壓定值、延時時間等參數(shù)；

2）初始測試：在正常電壓下，確保保護裝置處于正常工作狀態(tài)，無誤動作；

3）模擬失壓條件：使用繼電保護測試儀逐步降低輸出電壓，模擬電源電壓下降的情況，觀察微機保護裝置在電壓降低過程中的響應；

4）執(zhí)行失壓跳閘實驗：將電壓降低至設(shè)定的跳閘定值以下，觀察保護裝置是否在預定時間內(nèi)動作，切斷電路，記錄跳閘動作的電壓值和動作時間。

             圖 6.1 定值                 圖 6.2 失壓跳閘實驗      

7. 系統(tǒng)功能

7.1. 光伏電站實時監(jiān)測

系統(tǒng)主接線圖為光伏電站內(nèi)新建的10kV開閉所一次系統(tǒng)圖，人機界面可以實時顯示采集到的各類數(shù)據(jù)，包括開關(guān)柜的電壓、電流和功率等關(guān)鍵參數(shù)，以及開關(guān)柜內(nèi)斷路器、手車的分合狀態(tài)等。

圖6.1 實時監(jiān)測

7.2. 光伏發(fā)電功率預測

光功率預測系統(tǒng)通過本地氣象傳感器提供的氣象數(shù)據(jù)（包括總輻照度、風速、風向、溫度、相對濕度、大氣壓力等信息）以及天氣預報、實測功率、并網(wǎng)裝機容量等信息，利用先進的算法和模型進行光伏發(fā)電系統(tǒng)超短期、短期的輸出功率預測，并通過曲線直觀展示。

7.3. 電能質(zhì)量在線監(jiān)測

電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置采集#1、2#光伏并網(wǎng)接入點的電能質(zhì)量信息，可以對整個供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量包括穩(wěn)態(tài)狀態(tài)和暫態(tài)狀態(tài)進行持續(xù)監(jiān)測。系統(tǒng)界面實時顯示裝置通信狀態(tài)、各監(jiān)測點的A/B/C相電壓總畸變率、三相電壓不平衡度百分比和正序/負序/零序電壓值、三相電流不平衡度百分比和正序/負序/零序電流值，幫助管理人員實時掌握供電系統(tǒng)電能質(zhì)量情況，以便及時發(fā)現(xiàn)和消除供電不穩(wěn)定因素。

圖6.3 電能質(zhì)量在線監(jiān)測界面

7.4. 光字牌

光字牌可以顯示電力系統(tǒng)中設(shè)備的運行狀態(tài)和系統(tǒng)的重要信息，為運行人員提供清晰的狀態(tài)指示和警示信號，包括二次設(shè)備的異常、跳閘信號，開關(guān)柜斷路器的分合位、手車位置、接地刀閘等信號。

圖6.4 光字牌界面

7.5. 調(diào)度上傳

項目重點采集光伏電站內(nèi)的各項關(guān)鍵數(shù)據(jù)，包括電流、電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、有功電能、無功電能以及斷路器的狀態(tài)等信息，通過數(shù)據(jù)通信終端采用無線公網(wǎng)作為傳輸通道接入地調(diào)系統(tǒng)，配置了縱向加密裝置來確保數(shù)據(jù)的安全性。

8. 結(jié)語

 在屋頂光伏發(fā)電項目中，分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)可以實現(xiàn)能源資源的有效整合。系統(tǒng)通過對分散的光伏發(fā)電設(shè)備進行實時監(jiān)控，能夠收集和分析各個發(fā)電單元的運行數(shù)據(jù)，本項目不僅涉及光伏發(fā)電的監(jiān)控管理，還要進行無線上傳，為確保數(shù)據(jù)的安全性，項目特別配備了縱向加密和正反向隔離等防護裝置，以防止?jié)撛诘木W(wǎng)絡攻擊和數(shù)據(jù)泄露。同時，搭配的光功率預測系統(tǒng)采用了先進的數(shù)據(jù)分析技術(shù)，能夠?qū)崟r掌握光照變化、設(shè)備狀態(tài)及發(fā)電效率，從而生成精準的光功率預測信息，幫助用戶更科學地規(guī)劃光伏發(fā)電與用電策略，實現(xiàn)經(jīng)濟效益與環(huán)境效益的雙贏。

參考文獻

[1] 楊欽超.基于微逆變器的屋頂光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的研究[D].西南交通大學,2012.DOI:10.7666/d.y2106802.

[2] 張國輝,趙海松,席悅,等.屋頂分布式光伏發(fā)電技術(shù)方案的探討[J].工程技術(shù)(引文版), 2016,000(002): 00041-00042.

[3] 董明,李曉楓,楊章,等.基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的分布式光伏發(fā)電功率預測方法研究進展[J].電網(wǎng)與清潔能源, 2024, 40(1):8-17.DOI:10.3969/j.issn.1674-3814.2024.01.002.